余智勇
(神木職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,陜西 神木 719300)
可編程邏輯控制器(Programmable logic controller,PLC)已成功應(yīng)用于秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[1-4]中,不僅可以保證系統(tǒng)自動化控制,還能采用遠(yuǎn)程診斷的方式實(shí)時分析和解決系統(tǒng)故障,提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,保證生產(chǎn)效率和效果,降低系統(tǒng)故障維修成本和生產(chǎn)成本。但目前尚無針對棉花秸稈打包的相關(guān)研究。因此,為了滿足棉花副產(chǎn)品加工企業(yè)的生產(chǎn)需求,科學(xué)設(shè)計基于PLC的棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)是相關(guān)人員應(yīng)該思考的問題。
針對棉花秸稈具有莖稈細(xì)長、含水量較高、韌性強(qiáng)等特點(diǎn),完成了基于PLC的棉花秸稈(初步切碎后)打包機(jī)控制系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計,同時對喂料裝置調(diào)速器和打包桶的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)控,以達(dá)到均勻鋪墊處理棉花秸稈碎料的目的,避免因棉花秸稈局部堆積而對壓板造成損壞。此外,利用液壓缸對棉花秸稈進(jìn)行壓縮打包處理,并利用排水濾網(wǎng)排出棉花秸稈內(nèi)過多的水分,以滿足干燥處理棉花秸稈的目的。在打包桶的具體設(shè)計中,主要利用關(guān)門打包的方式,盡可能降低整個打包機(jī)的尺寸,從而提高該系統(tǒng)的整體運(yùn)行性能。最后,將捆扎處理后的棉花秸稈推送到指定的運(yùn)輸帶,由運(yùn)輸帶將其運(yùn)走,棉花秸稈打包操作結(jié)束。該棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)主要借助PLC編制程序,可實(shí)現(xiàn)對棉花秸稈的自動化打包處理。
基于PLC的棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。從圖1可以看出,系統(tǒng)硬件主要由PLC(主機(jī)與擴(kuò)展模塊)、現(xiàn)場執(zhí)行元件(模擬量輸入輸出模塊)、現(xiàn)場信號(開關(guān)量輸入/輸出擴(kuò)展模塊)和人機(jī)界面4個部分組成。
圖1 棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計示意圖[5]
優(yōu)先選用DVP-80EH00R2系列PLC。該型號的PLC所采用的輸入、輸出模式主要以40路為主,具有信息存儲量大、運(yùn)算高效便捷、易擴(kuò)展等特征[6],完全符合棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)擴(kuò)展功能開發(fā)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求。
模擬量輸入輸出模塊作為系統(tǒng)硬件設(shè)計的核心和關(guān)鍵,在其具體設(shè)計中,主要做好對控制系統(tǒng)(I/O)相關(guān)設(shè)備的合理分配,I/O分配表是后期PLC控制系統(tǒng)程序編寫以及現(xiàn)場接線操作的依據(jù)。因此,為了保證棉花秸稈打包機(jī)的自動化控制效果[7],現(xiàn)列出如表1所示的輸入信號分配表和表2所示的輸出信號分配表。此外,在起動、保持、停止(起保停)電路的具體設(shè)計中,主要借助于線圈、觸點(diǎn)相關(guān)的指令,完成對此電路的科學(xué)編程。同時,應(yīng)嚴(yán)格按照控制系統(tǒng)進(jìn)行編程,精確把控PLC控制系統(tǒng)的整個自動化控制過程,根據(jù)表1、表2所示的I/O分配表完成對順序功能的設(shè)計。
表1 輸入信號分配表
表2 輸出信號分配表
根據(jù)棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)的使用需求,利用DVP-80EH00R2系列PLC,在結(jié)合開關(guān)量輸入、輸出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和要求的基礎(chǔ)上,設(shè)置如表3所示的16HM1lN型開關(guān)量輸入擴(kuò)展模塊與08HNIllR型開關(guān)量輸出擴(kuò)展模塊。
表3 不同擴(kuò)展模塊對比
該系統(tǒng)以使用DOP-A80THTD1型8英寸人機(jī)界面為主。該類型界面具有分辨率高、信息存儲量大、串行通信能力強(qiáng)、操作簡單等優(yōu)點(diǎn),可在任何工作環(huán)境中應(yīng)用。
棉花秸稈打包機(jī)系統(tǒng)主要由6部分組成,分別是喂料裝置、捆扎裝置、動力裝置、壓縮裝置、傳送裝置和控制箱[8]。整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖見圖2。
圖2 棉花秸稈打包機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖
喂料裝置主要由料斗箱和喂料輪2個部分組成。喂料輪主要由含有6個葉片的鐵輪組成,將其安裝在料斗箱出口處,借助PLC控制系統(tǒng)程序?qū)﹄妱訖C(jī)進(jìn)行開啟操作,并結(jié)合電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速對喂料速度進(jìn)行科學(xué)控制[9]。當(dāng)電動機(jī)停止運(yùn)行時,喂料輪可以及時收集棉花秸稈碎塊,避免碎塊滑出。同時,通過控制PLC喂料輪轉(zhuǎn)速對棉花秸稈喂入量進(jìn)行調(diào)整,以滿足相關(guān)企業(yè)的生產(chǎn)需求。打包喂料量(V,m3)計算公式為V=ant(a代表喂料喂入效率,m3·r-1;n代表轉(zhuǎn)速,r·min-1;t代表單次運(yùn)轉(zhuǎn)喂料時間,min)。
壓縮裝置主要由壓板、液壓缸和打包桶3個部分組成;其中打包桶上安裝2種設(shè)備,分別是開門鎖和推包叉。當(dāng)棉花秸稈打包處理結(jié)束后,PLC控制系統(tǒng)程序?qū)﹂_門鎖進(jìn)行自動化控制[5],使其處于打開狀態(tài),確保打包桶能夠順利地開門出包。此外,還要借助推包叉對鉸鏈進(jìn)行轉(zhuǎn)動操作,實(shí)現(xiàn)對棉花秸稈包的快速推出,確保其安全、可靠地轉(zhuǎn)移到傳送帶上,以達(dá)到連續(xù)打包的目的[10]。傳送裝置開門鎖的結(jié)構(gòu)功能圖見圖3。
圖3 開門鎖的結(jié)構(gòu)功能圖
捆扎裝置主要用于對打包完畢的棉花秸稈進(jìn)行捆扎處理。該裝置需要利用PLC控制系統(tǒng),對捆扎輪進(jìn)行控制,將打包好的棉花秸稈捆扎于指定位置后[11],將其反向收緊,當(dāng)鋼扣扣緊后,利用剪切裝置,剪斷棉花秸稈包上的捆扎帶,即完成一次智能化捆扎。隨后,在PLC控制系統(tǒng)程序不斷運(yùn)行下,該裝置循環(huán)進(jìn)行捆扎工作。捆扎裝置的結(jié)構(gòu)圖見圖4。
圖4 捆扎裝置的結(jié)構(gòu)圖
為了驗(yàn)證基于PLC的棉花秸稈打包機(jī)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,對該系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn):首先,將該系統(tǒng)的工作壓力和額定功率分別設(shè)置為19.6 MPa、5kW;然后,將自動打包機(jī)的直徑和高度分別設(shè)置為46cm、66cm,根據(jù)棉花秸稈打包需求,利用PLC控制系統(tǒng)相關(guān)程序以及行程開關(guān)[12],完成對成包高度的合理調(diào)控。在每次打包處理期間,其切塊含水量會呈現(xiàn)出一定程度的波動,但是該系統(tǒng)整體工作效率一直維持在1.2 ~1.5 t·h-1。這說明系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定,完全符合棉花秸稈打包處理需求。
目前,大部分棉花秸稈打包機(jī)主要利用繼電器控制系統(tǒng),這種系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性較差,難以滿足棉花生產(chǎn)需求。而利用PLC對棉花秸稈打包機(jī)進(jìn)行改造后,系統(tǒng)運(yùn)行性能尤其是穩(wěn)定性和可靠性得以顯著提升,可提高棉花副產(chǎn)品開發(fā)利用企業(yè)的生產(chǎn)效率和效果,為實(shí)現(xiàn)企業(yè)社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的最大化提供有力的保障。